Fizicienii de la MIT au tot împuns un material cuantic cu lasere, iar ceea ce au descoperit este că electronii se pot reorganiza în două moduri foarte diferite - unul lin, ca apa care se evaporă, celălalt cocoloșit, ca gheața care îngheață. Studiul, publicat în Nature Physics, aruncă lumină asupra modului în care multiple faze electronice pot coexista în același material, ceea ce ar putea într-o zi să ne ajute să construim dispozitive cuantice mai bune și, știi tu, poate să înlocuim siliciul.

„Oamenii cred că piatra de temelie a înlocuirii siliciului stă în materialele cuantice care au multiple faze coexistente”, spune co-autorul Alfred Zong, doctorat în 2020, acum profesor asistent la Universitatea Stanford. „Experimentul nostru oferă o modalitate foarte curată de a studia aceste faze multiple.”

Cercetătorii, conduși de Nuh Gedik, profesor de fizică Donner la MIT, au investigat tritellurura de erbiu, un material de pământ rar cu o atitudine electronică serioasă. În condiții obișnuite, electronii sunt răspândiți uniform, dar dacă îl răcești, încep să formeze o aranjare sub formă de undă numită undă de densitate de sarcină (CDW). Răcește-l și mai mult, și o a doua undă apare perpendicular pe prima, creând un caroiaj la scară atomică care l-ar face gelos pe orice mare maestru de șah.

Echipa a reușit să separe cele două faze și să urmărească modul în care se formează fiecare. Prima fază, cea „dominantă”, apare treptat în tot materialul, ca apa care se transformă în vapori. A doua fază, „subdominantă”, însă, începe în buzunare izolate și se extinde spre exterior, exact ca niște cristale de gheață care se formează în băutura ta. Această diferență este cheia: prima este o tranziție de ordinul doi clasică, în timp ce a doua este o tranziție de ordinul întâi, și asta este o surpriză.

„Mecanismul responsabil pentru apariția acestei a doua faze a fost mult timp dezbătut, iar abordarea noastră oferă o modalitate nouă și puternică de a descoperi fizica ascunsă din spatele tranzițiilor de fază în materialele cuantice”, spune Gedik.

Experimentul a fost o rutină clasică de „scutură și ascultă”. Echipa a răcit probe subțiri atomic de tritellurură de erbiu la aproximativ -230 de grade Celsius, apoi le-a pulsat cu două impulsuri laser. Primul impuls a „scuturat” sistemul, spărgând caroiajul electronic, iar al doilea impuls a făcut instantanee ale modului în care electronii își revin în timp. Unda dominantă a revenit lin indiferent cât de tare au lovit-o, dar unda subdominantă a crescut din semințe împrăștiate, ca niște cristale de gheață care se formează în apă suprarăcită.

Acest comportament nu era de așteptat și identifică în sfârșit mecanismul mult dezbătut din spatele celei de-a doua faze CDW. Și, deși tritellurura de erbiu este cool în sine, adevăratul premiu este înțelegerea materialelor mai complexe, cum ar fi superconductorii la temperaturi înalte, unde faze multiple (magnetism, superconductivitate, CDW) coexistă și interacționează.

„În sisteme mult mai complexe, cum ar fi superconductorii la temperaturi înalte, vezi că există faze multiple - magnetism, superconductivitate, unde de densitate de sarcină - și toate există împreună”, spune Gedik. „Una dintre teorii este că modul în care interacționează între ele este cheia proprietăților lor exotice. Lecțiile pe care le învățăm aici pot fi aplicate la materiale mult mai complexe.”

Cercetarea a fost susținută de Departamentul de Energie al SUA, Fundația Națională pentru Știință a SUA și grantul EPiQS Initiative al Fundației Gordon și Betty Moore. Materiale furnizate de Massachusetts Institute of Technology. Scris inițial de Jennifer Chu. Notă: Conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.